光学4-2(基础物理课堂讲稿下第二十讲).ppt

第四章 光的偏振第四章 光的偏振(续) 第二十讲§4.1 自然光和偏振光§4.2 起偏振器与检偏振器 马吕斯定律§4.3 反射和折射时的偏振§4.4 散射光的偏振§4.5 双折射现象§4.6 惠更斯作图法§4.7 偏振棱镜§4.8 波片和补偿器§4.9 偏振光的干涉§4.10 人为双折射§4.11 旋光性第四章 光的偏振问题： 1.为什么天空呈蔚蓝色？2.为什么朝霞晚霞呈橙红色？3.为什么云彩是白色的？4.为什么异性晶体有双折射现象？6.怎样检测物体内部是否有残存的内应力？7.怎样制造高速快门开关？8.怎样快速测量溶液的浓度？… …5.怎样检验园偏振光和自然光？第四章 光的偏振§4.5 双折射现象1669.(丹)巴塞林纳斯---方解石(CaCO3)---双折射现象方解石So光e光起因：各向异性晶体中, 各方向波速不同--有双折射现象特点：◆O光满足折射定律-- 寻常光； 旋转晶体时,e光不满足折射定律- 非常光.O光不动,e光随晶体旋转.o光e光S ◆一般 vO ≠ ve， nO≠ nevO与传播方向无关,ve与传播方向有关第四章 光的偏振光轴78o102o78o102o◆存在一个特殊方向无双折射现象----光轴方向改变入射光方向并旋转晶体发现: 晶体内有一个特定方向不发生双折射. 说明在这个方向上o、e光折射率相同S特定方向入射e光= O光光轴方解石晶体单轴晶体(方解石,石英,红宝石); 双轴晶体(云母, 硫磺,蓝宝石)光轴是一特殊的方向, 凡平行于此方向的直线均为光轴vO = ve nO= ne第四章 光的偏振◆O光和e光均为线偏振光 O光与光轴构成的平面e光与光轴构成的平面O光振动矢量垂直於O 光主平面；e光振动矢量平行於e光主平面.o光光轴o 光的 主平面(o光振动垂直o 光主平面)···主平面: 光线方向与光轴所成平面.e光光轴e 光的 主平面(e 光振动在e 光主平面内)一般o光主平面与e光主平面不重合, 但夹角很小主截面: 包含光轴且与晶体表面垂直的平面.入射面: 入射光线与晶体表面法线构成的平面.若入射面与主截面重合三面重合(o光主平面,e光主平面,主截面)自证近似: o光⊥e光第四章 光的偏振§4.6 惠更斯作图法 ●单轴晶体中的波面设晶体内有一个次波源,在t=0时刻发次波,t=1时刻的波面如图oeoe 光轴正晶体负晶体平行光轴截面 垂直光轴截面 负晶体正晶体o光恒为球面, e光为旋转椭球面//光轴：光速相等o 光轴： o光→no, o ;e光→ne, e波 面 形 状 不 同O光各方向光速相等;e光光速与方向有关.原因:第四章 光的偏振●用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播※光在各向同性介质界面上的折射入射角i设t = 0 时刻入射光波面到AB各向同性介质BA折射角γCDt = Δt 时刻波面到→t = 2Δt 时刻波面到→t = 3Δt 时刻波面到→ DCAD = v2 3Δt,BC = v1 3Δt折射光入射光折射定律同性介质球面波球面波n1 n2第四章 光的偏振(1)光轴平行入射面且与晶体表面斜交,自然光斜入射※光在各向异性介质界面上的折射光轴ABCO光 e光方解石光轴DE分析：入射面(纸面)与主截面重合 三面重合 (O光主平面、e光主平面、主截面)∴ O光⊥e光负晶体若光轴微外翘呢？…第四章 光的偏振(2)光轴平行入射面且与晶体表面斜交,自然光垂直入射光轴负晶体O光e光AD E方解石光轴 O光 分析：左右两边的次波波面一样大O光的次波波面是球面 D点在正下方  折射角γO=0e光的次波波面是椭球面 E点偏右  折射角γe≠0三面重合∴ O光⊥e光e光第四章 光的偏振(3)光轴平行晶体表面,自然光垂直入射光轴O,e 光传播方向相同，但传播速度不同。

分析：DE光轴平行晶体表面 D点和E点都在正下方 从晶体出射后，二者产生相位差O光⊥e光γe =γO=0(重要!)第四章 光的偏振(4)光轴垂直入射面,自然光斜入射方解石光轴负晶体光轴⊙ABO光DE e光C分析：♥光轴⊥入射面入射面截出两个同心半园♠切点D、E都在入射面内 O光⊥e光小→O光 大→e光♣两个同心半园O光和e光都遵循折射定律提问：若线偏振光入射，则⊥入射面? ∥入射面? 其它情况?第四章 光的偏振§4.7 偏振棱镜 目的：将O光和e光大分开，以便获得极纯的线偏振光;出射的光束与入射方向一致,以便光路调节回倾全反射条件：结论：从光密介质n1→光疏介质n2→存在全反射角i0， 当入射角i≥i0时，便全反射，无折射光全反射第四章 光的偏振加拿大透明树胶方解石77°O光线偏振光自然光★尼科耳棱镜如图：已知在方解石中：∴O光全反射光轴e光68°22°(被吸收掉了)吸收层特点：能获得极纯的线偏振光；出射光束与入射光束方向一致第四章 光的偏振★格兰-汤普森棱镜是尼科耳棱镜的改进型如图光轴光轴原理与尼科耳棱镜相同自然光纯线偏振光设计技巧：①长方体长↑ ②光轴∥晶体表面第一棱镜内O光e光同向→胶合面处O光入射角↑→全反射③直角棱镜加工容易特点：能获得极纯的线偏振光；出射光束与入射光束方向一致。

第四章 光的偏振Ex=E0xcos(ωt+φx)Ey=E0ycos(ωt+φy)1 23 4 56789101112012345678 9101112§4.8 波片和补偿器 目的:控制O,e光间Δφ改变出光偏振状态回顾:Ex⊥Ey的合成结论：Δφ=一般值 一般斜椭园Δφ=特殊值 特殊椭园Δφ=2kπ或(2k+1)π 斜直线Δφ=2kπ+π/2 右旋正椭圆(顺时针)Δφ=2kπ+3π/2 左旋正椭圆(逆时针)第四章 光的偏振例如：Δφ=φy- φx=π/2右旋正椭圆(顺时针)1212 3 4567891011023456789 10111210O光⊥e光且ωO= ωe(∵来自同一波列)若O光与e光相位差k偶k奇线偏振光对O光和e光来说 ：右旋 正椭圆偏振光左旋若 E0x=E0y 圆偏振光=π/2第四章 光的偏振◆ 波片光轴平行晶体表面波晶片光轴O光和e光经过晶体后：其光程差为： 其相位差为:波片分类：1/4波片 1/2波片 全波片可见：通过d可设计O,e光间Δφ可改变出射光的偏振状态第四章 光的偏振总结：※波片相位延迟器设计O光和e光之间Δφ※1/4波片O光和e光之间Δφ=2kπ+π/2※1/2波片O光和e光之间Δφ=2kπ+π※线偏振光波片椭圆偏振光θ线偏振方向光轴椭圆偏振光※线偏振光λ/4波片且θ=45ºΔφ=π/2EO=Ee圆偏振光θ※λ/2波片线偏振光转过2θ(自证证) 用旋转矢量法证之从上向下看第四章 光的偏振◆ 补偿器---任意改变光程差的器件巴比涅补偿器波片---光程差固定了如图☉光轴光轴设计技巧:左右两光轴互垂直小楔角石英片左O光变成右e光左e光变成右O光d1d2出射光中O光与e光的相位差:不同部位 d1、d2不同Δφ不同用法：将补偿器向上或向下移动，可找到设计要求的Δφ。

细束入射光出射光O光,e光第四章 光的偏振◆ 偏振光的检验♫线偏振光的检验:旋转检偏器，消光者为线偏振光♫椭园偏振光和部分偏振光的检验:旋转检偏器，有部分消光者为:部分偏振光椭园偏振光采用1/4波片波片,其光轴放在最亮或最暗的方位上※若是椭园偏振光最亮方向光振动与最暗方向光振动的Δφ前 =π/2.经1/4波片后,又增加π/2 O光和e光之间Δφ总总=π线偏振光旋转检偏器,消光者为椭园偏振光※若是部分偏振光因无固定相位无消光入射波片前第四章 光的偏振♫园偏振光和自然光的检验:旋转检偏器，无部分消光者为:自然光园偏振光 采用1/4波片波片※若是园偏振光相互垂直的两光振动Δφ前 =π/2.经1/4波片增加π/2 O光和e光之间Δφ总总=π线偏振光旋转检偏器,消光者为园偏振光.※若是自然光入射波片前Δφ前=不确定,经1/4波片后附加π/2O光和e光之间Δφ总总=π/2+Δφ前=仍不确定旋转检偏器,无消光者为自然光.第四章 光的偏振第四章 光的偏振第四章 光的偏振第四章 光的偏振第四章 光的偏振第四章 光的偏振参考书：1.赵凯华，钟锡华.《光学》上册2.毌国光，战元令.《光学》作业：4.8, 4.10, 4.12 。